Go的切片：长度和容量

虽说 Go 的语法在很大程度上和 PHP 很像，但 PHP 中倒是没有“切片”这个概念的，在学习的过程当中也遇到了一些困惑，遂作此笔记。
困惑1：使用 append 函数为切片追加元素后，切片的容量时变时不变，其扩容机制是什么？
困惑2：更改切片的元素会修改其底层数组中对应的元素。为何有些状况下更改了切片元素，其底层数组元素没有更改？

1、切片的声明

切片能够当作是数组的引用。在 Go 中，每一个数组的大小是固定的，不能随意改变大小，切片能够为数组提供动态增加和缩小的需求，但其自己并不存储任何数据。

/*
 * 这是一个数组的声明
 */
var a [5]int //只指定长度，元素初始化为默认值0
var a [5]int{1,2,3,4,5}

/* 
 * 这是一个切片的声明：即声明一个没有长度的数组
 */
// 数组未建立
// 方法1：直接初始化
var s []int //声明一个长度和容量为 0 的 nil 切片
var s []int{1,2,3,4,5} // 同时建立一个长度为5的数组
// 方法2：用make()函数来建立切片：var 变量名 = make([]变量类型,长度,容量)
var s = make([]int, 0, 5)
// 数组已建立
// 切分数组：var 变量名 []变量类型 = arr[low, high]，low和high为数组的索引。
var arr = [5]int{1,2,3,4,5}
var slice []int = arr[1:4] // [2,3,4]

2、切片的长度和容量

切片的长度是它所包含的元素个数。
切片的容量是从它的第一个元素到其底层数组元素末尾的个数。
切片 s 的长度和容量可经过表达式 len(s) 和 cap(s) 来获取。

s := []int{0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9} // [0 1 2 3 4 5 6 7 8 9] len=10,cap=10
s1 := s[0:5] // [0 1 2 3 4] len=5,cap=10
s2 := s[5:] // [5 6 7 8 9] len=5,cap=5

3、切片追加元素后长度和容量的变化

1.append 函数

Go 提供了内建的 append 函数，为切片追加新的元素。

func append(s []T, vs ...T) []T

append 的结果是一个包含原切片全部元素加上新添加元素的切片。

下面分两种状况描述了向切片追加新元素后切片长度和容量的变化。
Example 1:

package main

import "fmt"

func main() {
    arr := [5]int{1,2,3,4,5} // [1 2 3 4 5]
    fmt.Println(arr)
    
    s1 := arr[0:3] // [1 2 3]
    printSlice(s1)
    s1 = append(s1, 6)
    printSlice(s1)
    fmt.Println(arr)
}

func printSlice(s []int) {
    fmt.Printf("len=%d cap=%d %p %v\n", len(s), cap(s), s, s)
}

执行结果以下：

[1 2 3 4 5]
len=3 cap=5 0xc000082030 [1 2 3]
len=4 cap=5 0xc000082030 [1 2 3 6]
[1 2 3 6 5]

能够看到切片在追加元素后，其容量和指针地址没有变化，但底层数组发生了变化，下标 3 对应的 4 变成了 6。

Example 2:

package main

import "fmt"

func main() {
    arr := [5]int{1,2,3,4} // [1 2 3 4 0]
    fmt.Println(arr)
    
    s2 := arr[2:] // [3 4 0]
    printSlice(s2)
    s2 = append(s2, 5)
    printSlice(s2)
    fmt.Println(arr)
}

func printSlice(s []int) {
    fmt.Printf("len=%d cap=%d %p %v\n", len(s), cap(s), s, s)
}

执行结果以下：

[1 2 3 4 0]
len=3 cap=3 0xc00001c130 [3 4 0]
len=4 cap=6 0xc00001c180 [3 4 0 5]
[1 2 3 4 0]

而这个切片在追加元素后，其容量和指针地址发生了变化，但底层数组未变。

当切片的底层数组不足以容纳全部给定值时，它就会分配一个更大的数组。返回的切片会指向这个新分配的数组。

2.切片的源代码学习

Go 中切片的数据结构能够在源码下的 src/runtime/slice.go 查看。

// go 1.3.16 src/runtime/slice.go:13
type slice struct {
    array unsafe.Pointer
    len   int
    cap   int
}

能够看到，切片做为数组的引用，有三个属性字段：长度、容量和指向数组的指针。
向 slice 追加元素的时候，若容量不够，会调用 growslice 函数，

// go 1.3.16 src/runtime/slice.go:76
func growslice(et *_type, old slice, cap int) slice {
    //...code
    
    newcap := old.cap
    doublecap := newcap + newcap
    if cap > doublecap {
        newcap = cap
    } else {
        if old.len < 1024 {
            newcap = doublecap
        } else {
            // Check 0 < newcap to detect overflow
            // and prevent an infinite loop.
            for 0 < newcap && newcap < cap {
                newcap += newcap / 4
            }
            // Set newcap to the requested cap when
            // the newcap calculation overflowed.
            if newcap <= 0 {
                newcap = cap
            }
        }
    }
    
    // 跟据切片类型和容量计算要分配内存的大小
    var overflow bool
    var lenmem, newlenmem, capmem uintptr
    switch {
        // ...code
    }
    
    // ...code...
    
    // 将旧切片的数据搬到新切片开辟的地址中
    memmove(p, old.array, lenmem)
    
    return slice{p, old.len, newcap}
}

从上面的源码，在对 slice 进行 append 等操做时，可能会形成 slice 的自动扩容。其扩容时的大小增加规则是：

• 若是切片的容量小于 1024，则扩容时其容量大小乘以2；一旦容量大小超过 1024，则增加因子变成 1.25，即每次增长原来容量的四分之一。
• 若是扩容以后，尚未触及原数组的容量，则切片中的指针指向的仍是原数组，若是扩容后超过了原数组的容量，则开辟一块新的内存，把原来的值拷贝过来，这种状况丝绝不会影响到原数组。

上面的两个例子中，切片的容量均小于 1024 个元素，因此扩容的时候增加因子为 2，每增长一个元素，其容量翻番。
Example2 中，由于切片的底层数组没有足够的可用容量，append() 函数会建立一个新的底层数组，将被引用的现有的值复制到新数组里，再追加新的值，因此原数组没有变化，不是我想象中的[1 2 3 4 5]，

3.切片扩容的内部实现

扩容1：切片扩容后其容量不变

slice := []int{1,2,3,4,5}
// 建立新的切片，其长度为 2 个元素，容量为 4 个元素
mySlice := slice[1:3]
// 使用原有的容量来分配一个新元素，将新元素赋值为 40
mySlice = append(mySlice, 40)

执行上面代码后的底层数据结构以下图所示：

扩容2：切片扩容后其容量变化

// 建立一个长度和容量都为 5 的切片
mySlice := []int{1,2,3,4,5}
// 向切片追加一个新元素，将新元素赋值为 6
mySlice = append(mySlice, 6)

执行上面代码后的底层数据结构以下图所示：

4、小结

1. 切片是一个结构体，保存着切片的容量，长度以及指向数组的指针（数组的地址）。
2. 尽可能对切片设置初始容量值，以免 append 调用 growslice，由于新的切片容量比旧的大，会开辟新的地址，拷贝数据，下降性能。